CN108748099B - 一种实现人体能量迁移的无源下肢外骨骼装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种实现人体能量迁移的无源下肢外骨骼装置，包括鞋垫上设的脚底压力传感器组件，鞋垫后端设下肢连接组件，下肢连接组件后侧铰接多个分别与脚底压力传感器组件信号连接的控制开关组件，控制开关组件上滑动连接仿生弹簧组件，仿生弹簧组件与控制开关组件匹配卡接实现限位，通过脚底压力传感器采集信号并用信号控制开关，进而控制仿生弹簧组件的伸/缩状态，将人体行走过程中膝关节在摆动期做负功时的能量转化为弹性势能进行收集存储，并在站立相后期迁移至踝关节，以减少踝关节做正功时肌肉的耗能。本发明无外接能源、结构简单、质量轻、穿戴方便。

Description

一种实现人体能量迁移的无源下肢外骨骼装置

技术领域

本发明属于康复理疗辅助设备技术领域，具体涉及一种实现人体能量迁移的无源下肢外骨骼装置。

背景技术

外骨骼作为一种新型可穿戴人机一体化系统，主要应用于军事作战和康复医疗等领域。在军事领域中外骨骼可提高士兵的力量、速度和耐力，从而提高单兵作战能力；在康复医疗领域中外骨骼可辅助中风、截瘫或骨性关节炎等患者行走，从而恢复或部分恢复其生命活动。

目前，国内外的外骨骼主要分为有源外骨骼和无源外骨骼两种，有源外骨骼主要由能源装置、驱动系统、控制系统和执行装置组成，驱动方式主要有液压驱动、气压驱动和电机驱动等。根据驱动和控制系统的放置位置又可分为牵引式下肢外骨骼和便携式下肢外骨骼两种。牵引式下肢外骨骼因供能和控制系统置于体外，故整体结构简单、质量较轻，缺点是其活动空间受限，只适用于实验室研究或康复训练。有源便携式下肢外骨骼将驱动和控制系统穿于身上，其活动空间不受限制，缺点是整体结构质量较重从而降低了人体自身运动的灵活性，能源供应有限不能支撑外骨骼设备长时间运作。无源下肢外骨骼为纯机械机构，因无外部能源供应故具有结构简单、穿戴方便、质量轻和便携等优点，该类外骨骼主要利用人体自身能量，在肢体运动做负功时将能量进行收集与存储，并释放于肢体运动做正功时期，从而对人体产生助力作用，减少人体运动过程中的新陈代谢。

关于无源下肢外骨骼，现有技术如文章“Reducing the energy cost of humanwalking us ing an unpowered exoskeleton”中提到的踝关节无源外骨骼主要由模拟跟腱功能的弹簧、用于控制弹簧储/释能的离合器、小腿连接架和足部连接架等组成，弹簧通过离合器的开合可将步行站立相中期踝关节做负功时的能量收集并用于站立相后期踝关节做正功时期，但此外骨骼可用于收集的踝关节负功相对较少且只能实现时间域踝关节能量的迁移。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种实现人体能量迁移的无源下肢外骨骼装置，可实现将膝关节在摆动期做负功的能量收集存储并迁移释放至踝关节站立相后期做正功时期，克服了现有下肢外骨骼结构复杂、质量重和能量供应受限等主要技术问题。

本发明的技术方案是：

一种实现人体能量迁移的无源下肢外骨骼装置，包括鞋垫，所述鞋垫上设置有脚底压力传感器组件，所述鞋垫的后端设置有下肢连接组件，所述下肢连接组件包括与鞋垫固定连接的足底连接架，所述足底连接架上方设置有小腿连接架，所述小腿连接架上方设置有大腿连接架；所述大腿连接架上端、小腿连接架上端、小腿连接架下端和足底连接架上端分别铰接有控制开关组件，所述控制开关组件与脚底压力传感器组件信号连接，所述控制开关组件上滑动连接仿生弹簧组件，所述仿生弹簧组件与控制开关组件匹配卡接实现限位。

优选的，所述脚底压力传感器组件包括内嵌在鞋垫上的脚底压力传感器a和脚底压力传感器b，所述脚底压力传感器b位于鞋垫上对应于足跟的位置，所述脚底压力传感器a位于鞋垫上对应于第一跖骨的位置，所述脚底压力传感器a和脚底压力传感器b分别采集压力信号，并将压力信号通过导线传送给控制开关组件。

优选的，所述仿生弹簧组件包括第一连接杆，所述第一连接杆的上端通过铰链c与弹簧下连接架连接，所述弹簧下连接架的两侧分别设置有并联弹簧安装支柱a和并联弹簧安装支柱b，所述并联弹簧安装支柱b上设置有并联弹簧b，所述并联弹簧安装支柱a上设置有并联弹簧a，所述并联弹簧安装支柱a和并联弹簧安装支柱b之间设置有阻尼器，所述阻尼器的上端设置有串联弹簧，所述串联弹簧的上端与弹簧上连接架固定，所述弹簧上连接架的两侧分别与并联弹簧安装支柱a和并联弹簧安装支柱b固定，所述弹簧上连接架的上方通过铰链d与第二连接杆连接；所述第二连接杆与第一连接杆上设置有多个连通的排孔。

优选的，所述控制开关组件包括结构相同的控制开关组件a、控制开关组件b、控制开关组件c和控制开关组件d；所述控制开关组件a包括通过铰链e与大腿连接架后侧铰接的控制开关安装支架，所述控制开关安装支架上穿设有第二连接杆，所述控制开关安装支架通过控制开关安装螺钉与控制开关固定，所述控制开关上的圆柱杆与第二连接杆上的排孔匹配卡接。

与现有技术相比，本发明提供的一种实现人体能量迁移的无源下肢外骨骼装置，通过四个控制开关对弹簧的伸缩进行控制，能够实现将运动过程中膝关节在摆动期做负功的能量收集存储并迁移释放至踝关节站立相后期做正功时期，其有益效果是：

1、本发明可降低行走过程中的新陈代谢；

2、本发明无需外部能源，整体结构简单、质量轻、便于人体穿戴；

3、本发明采用的仿生弹簧系统与人体肌肉的力学性能更接近，并且该外骨骼可收集的膝关节做负功能量远大于现有技术中常用于收集的踝关节做负功能量，因此该外骨骼的助力效果更好，可在康复训练中极大提高患者的恢复速度。

附图说明

图1为本发明的总体结构示意图；

图2为仿生弹簧组件的结构示意图；

图3为控制开关组件的结构示意图；

图4为脚底压力传感器组件的结构示意图。

附图标记：

1、脚底压力传感器组件；2、足底连接架；3、铰链a；4、小腿连接架；5、铰链b；6、大腿连接架；7、控制开关组件a；8、控制开关组件b；9、仿生弹簧组件；10、控制开关组件c；11、控制开关组件d；12、第一连接杆；13、铰链c；14、弹簧下连接架；15、并联弹簧a；16、并联弹簧安装支柱a；17、弹簧上连接架；18、第二连接杆；19、铰链d；20、串联弹簧；21、并联弹簧安装支柱b；22、并联弹簧b；23、阻尼器；24、铰链e；25、控制开关；26、控制开关安装螺钉；27、控制开关安装支架；28、鞋垫；29、脚底压力传感器a；30、脚底压力传感器b。

具体实施方式

本发明提供了一种实现人体能量迁移的无源下肢外骨骼装置，下面结合图1到图4的结构示意图，对本发明进行说明。

如图1所示，本发明提供的一种实现人体能量迁移的无源下肢外骨骼装置，包括鞋垫28，所述鞋垫28上设置有脚底压力传感器组件1，所述鞋垫28的后端设置有下肢连接组件，所述下肢连接组件包括与鞋垫28固定连接的足底连接架2，所述足底连接架2上方设置有小腿连接架4，所述小腿连接架4上方设置有大腿连接架6；所述大腿连接架6上端、小腿连接架4上端、小腿连接架4下端和足底连接架2上端分别铰接有控制开关组件，所述控制开关组件与脚底压力传感器组件1信号连接，所述控制开关组件上滑动连接仿生弹簧组件9，所述仿生弹簧组件9与控制开关组件匹配卡接实现限位。

进一步的，所述脚底压力传感器组件1包括内嵌在鞋垫28上的脚底压力传感器a29和脚底压力传感器b30，所述脚底压力传感器b30位于鞋垫28上对应于足跟的位置，所述脚底压力传感器a29位于鞋垫28上对应于第一跖骨的位置，所述脚底压力传感器a29和脚底压力传感器b30分别采集压力信号，并将压力信号通过导线传送给控制开关组件。

进一步的，所述仿生弹簧组件9包括第一连接杆12，所述第一连接杆12的上端通过铰链c13与弹簧下连接架14连接，所述弹簧下连接架14的两侧分别设置有并联弹簧安装支柱a16和并联弹簧安装支柱b21，所述并联弹簧安装支柱b21上设置有并联弹簧b22，所述并联弹簧安装支柱a16上设置有并联弹簧a15，所述并联弹簧安装支柱a16和并联弹簧安装支柱b21之间设置有阻尼器23，所述阻尼器23的上端设置有串联弹簧20，所述串联弹簧20的上端与弹簧上连接架17固定，所述弹簧上连接架17的两侧分别与并联弹簧安装支柱a16和并联弹簧安装支柱b21固定，所述弹簧上连接架17的上方通过铰链d19与第二连接杆18连接；所述第二连接杆18与第一连接杆12上设置有多个连通的排孔。

进一步的，所述控制开关组件包括结构相同的控制开关组件a7、控制开关组件b8、控制开关组件c10和控制开关组件d11；所述控制开关组件a7包括通过铰链e24与大腿连接架6后侧铰接的控制开关安装支架27，所述控制开关安装支架27上穿设有第二连接杆18，所述控制开关安装支架27通过控制开关安装螺钉26与控制开关25固定，所述控制开关25上的圆柱杆与第二连接杆18上的排孔匹配卡接。

本实施例中的一种基于人体能量迁移的无源下肢外骨骼装置，主要包括下肢连接组件、仿生弹簧组件、控制开关组件、脚底压力传感器组件等。

所述下肢连接组件由足底连接架2、小腿连接架4和大腿连接架6等组成，足底连接架2与小腿连接架4之间、小腿连接架4与大腿连接架6之间分别采用铰链a3和铰链b5进行连接。

所述仿生弹簧组件9由阻尼器23、串联弹簧20、并联弹簧a15、并联弹簧b22、并联弹簧安装支柱a16、并联弹簧安装支柱b21、弹簧上连接架17、弹簧下连接架14、第二连接杆18和第一连接杆12组成。

所述控制开关组件a7、控制开关组件b8、控制开关组件c10、控制开关组件d11的结构完全相同，以控制开关组件a 7为例，主要由控制开关25、第二连接杆18和控制开关安装支架27等组成。

如图1所示，铰链a3和铰链b5位置与穿戴者踝关节和膝关节的位置平行，可使外骨骼的踝关节和膝关节在矢状面内自由转动，不对穿戴者的运动产生干涉。足底连接架2穿于鞋内，其长度为足长的一半，使其不影响前后脚掌之间的相对运动。

小腿连接架4采用仿生形状设计，和小腿几何形状完美契合。

小腿连接架4的前端和后端均完全镂空，使其在运动过程中不对胫骨前肌、腓肠肌和比目鱼肌产生压迫感，提高人体穿戴的舒适性。小腿连接架4与大腿连接架6前端均采用医用绷带与下肢固定，使其在运动过程中不与穿戴者下肢产生相对位移。

如图2所示，仿生弹簧组件9根据经典Hill肌肉模型进行设计，用来模拟人体下肢肌肉的力学性能。其中阻尼器23模拟肌肉的收缩激活性能；串联弹簧20模拟肌腱的弹性性能；并联弹簧a15和并联弹簧b22模拟肌肉的被动刚性性能。弹簧上连接架17与第二连接杆18、弹簧下连接架14与第一连接杆12之间分别通过铰链c13和铰链d19进行连接。第二连接杆18和第一连接杆12的中间位置均设计为彼此相连的排状通孔，其直径与控制开关25前端的圆柱杆配套，便于控制开关对其进行限位进而控制弹簧的伸缩。

如图3所示，控制开关25通过控制开关安装螺钉26固定于安装支架27，控制开关安装支架27通过铰链e24与大腿连接架6的后端进行连接。第二连接杆18穿过安装支架27，使其只能沿轴线上下运动。当控制开关接受到“打开”信号时，开关的前端的圆柱杆弹出，并卡入第二连接杆18的排型通孔内，从而限制了第二连接杆18的上下运动。

如图4所示，所述脚底压力传感器组件1包括设置在鞋垫28上的脚底压力传感器a29和脚底压力传感器b30组成，根据人体足底的主要受力区域分布，脚底压力传感器29放置于第一跖骨下方，脚底压力传感器30放置于足跟下方。当脚底压力传感器受压时状态为1，非受压时状态为0，通过两个压力传感器的状态对穿戴者的步态相位进行判断。

在一个完整步态周期内，整个装置的工作流程如下：

在摆动相时，整个足悬空，脚底压力传感器a29和脚底压力传感器b30的状态均为0，控制开关组件a7与控制开关组件c10中的控制开关闭合、控制开关组件b8中的控制开关打开，仿生弹簧组件9通过拉伸可将膝关节减速伸展时做负功的能量转化为弹性势能进行收集；控制开关组件d11中的控制开关打开，使得摆动相不对踝关节的运动产生影响。

当脚后跟击地进入站立相初期时，脚底压力传感器a29的状态为0、脚底压力传感器b30的状态为1。控制开关组件b8与控制开关组件c10中的控制开关闭合，仿生弹簧组件9的拉伸长度保持不变可将收集到的能量进行存储；控制开关组件a7与控制开关组件d11中的控制开关打开，使得站立相前期不对踝关节和膝关节的运动产生影响。当整个足部与地面接触进入站立相中期时，脚底压力传感器a29和脚底压力传感器b30的状态均为1。控制开关组件b8与控制开关组件d11中的控制开关闭合、控制开关组件c10中的控制开关打开，仿生弹簧组件9进一步拉伸可将踝关节减速背屈时做负功的能量转化为弹性势能进行收集；控制开关组件d11继续打开使膝关节的运动不受影响。当脚后跟开始离地进入站立相后期时，脚底压力传感器29的状态为0，脚底压力传感器b30的状态为1。四个控制开关保持站立相中期的状态不变，仿生弹簧组件9通过收缩将存储于其中的弹性势能释放，辅助踝关节完成跖屈动作，减少生物踝关节push-off时所需要的正功。当脚尖离地进入摆动相时，机构进入下一个步态周期内，整个机构运动过程依次循环进行。

本发明提供的一种实现人体能量迁移的无源下肢外骨骼装置，通过四个控制开关对弹簧的伸缩进行控制，能够实现将运动过程中膝关节在摆动期做负功的能量收集存储并迁移释放至踝关节站立相后期做正功时期，从而对人体产生助力作用并降低行走过程中的新陈代谢。相比于现有有源下肢外骨骼，该外骨骼无需外部能源，完全依靠人体自身的能量迁移达到助力效果，因而整体结构简单、质量轻、便于人体穿戴。相比于现有的只能实现时间域能量迁移的无源下肢外骨骼，该外骨骼采用的仿生弹簧系统与人体肌肉的力学性能更接近，并且该外骨骼可收集的膝关节做负功能量远大于现有技术中常用于收集的踝关节做负功能量，因此该外骨骼的助力效果更好，可在康复训练中极大提高患者的恢复速度。本发明实用性好，在军事作战和康复医疗等领域均可进行应用，值得推广。

以上公开的仅为本发明的较佳的具体实施例，但是，本发明实施例并非局限于此，任何本领域技术人员能思之的变化都应落入本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种实现人体能量迁移的无源下肢外骨骼装置，其特征在于，包括鞋垫(28)，所述鞋垫(28)上设置有脚底压力传感器组件(1)，所述鞋垫(28)的后端设置有下肢连接组件，所述下肢连接组件包括与鞋垫(28)固定连接的足底连接架(2)，所述足底连接架(2)上方设置有小腿连接架(4)，所述小腿连接架(4)上方设置有大腿连接架(6)；所述大腿连接架(6)上端、小腿连接架(4)上端、小腿连接架(4)下端和足底连接架(2)上端分别铰接有控制开关组件，所述控制开关组件与脚底压力传感器组件(1)信号连接，所述控制开关组件上滑动连接仿生弹簧组件(9)，所述仿生弹簧组件(9)与控制开关组件匹配卡接实现限位，所述仿生弹簧组件(9)包括第一连接杆(12)，所述第一连接杆(12)的上端通过铰链c(13)与弹簧下连接架(14)连接，所述弹簧下连接架(14)的两侧分别设置有并联弹簧安装支柱a(16)和并联弹簧安装支柱b(21)，所述并联弹簧安装支柱b(21)上设置有并联弹簧b(22)，所述并联弹簧安装支柱a(16)上设置有并联弹簧a(15)，所述并联弹簧安装支柱a(16)和并联弹簧安装支柱b(21)之间设置有阻尼器(23)，所述阻尼器(23)的上端设置有串联弹簧(20)，所述串联弹簧(20)的上端与弹簧上连接架(17)固定，所述弹簧上连接架(17)的两侧分别与并联弹簧安装支柱a(16)和并联弹簧安装支柱b(21)固定，所述弹簧上连接架(17)的上方通过铰链d(19)与第二连接杆(18)连接；所述第二连接杆(18)与第一连接杆(12)上设置有多个连通的排孔。

2.根据权利要求1所述的一种实现人体能量迁移的无源下肢外骨骼装置，其特征在于，所述脚底压力传感器组件(1)包括内嵌在鞋垫(28)上的脚底压力传感器a(29)和脚底压力传感器b(30)，所述脚底压力传感器b(30)位于鞋垫(28)上对应于足跟的位置，所述脚底压力传感器a(29)位于鞋垫(28)上对应于第一跖骨的位置，所述脚底压力传感器a(29)和脚底压力传感器b(30)分别采集压力信号，并将压力信号通过导线传送给控制开关组件。

3.根据权利要求1所述的一种实现人体能量迁移的无源下肢外骨骼装置，其特征在于，所述控制开关组件包括结构相同的控制开关组件a(7)、控制开关组件b(8)、控制开关组件c(10)和控制开关组件d(11)；所述控制开关组件a(7)包括通过铰链e(24)与大腿连接架(6)后侧铰接的控制开关安装支架(27)，所述控制开关安装支架(27)上穿设有第二连接杆(18)，所述控制开关安装支架(27)通过控制开关安装螺钉(26)与控制开关(25)固定，所述控制开关(25)上的圆柱杆与第二连接杆(18)上的排孔匹配卡接。